霍爾元件

霍爾元件

霍爾元件是套用霍爾效應的半導體。一般用於電機中測定轉子轉速，如錄像機的磁鼓，電腦中的散熱風扇等；是一種基於霍爾效應的磁感測器,已發展成一個品種多樣的磁感測器產品族，並已得到廣泛的套用。

基本介紹

  • 中文名：霍爾元件
  • 外文名：Hall components
  • 表達式：RH=1/nq（式中 RH——霍爾係數、UH=RHIB/d 
  • 提出者：霍爾
  • 提出時間：1879年
  • 套用學科：物理學
簡介,工作原理,元件特性,元件分類,霍爾開關,線性霍爾,常用型號,

簡介

霍爾元件可用多種半導體材料製作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料等等.
霍爾元件是一種基於霍爾效應的磁感測器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。
霍爾元件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。
霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重複精度高（可達μm 級），採用了各種補償和保護措施，霍爾器件的工作溫度範圍寬，可達－55℃～150℃。
霍爾電位差 UH 的基本關係為
UH=RHIB/d （18）
RH=1/nq（金屬） （19）
式中 RH——霍爾係數：
n——單位體積內載流子（自由電子和空穴）的個數
q——電子電量；
I——通過的電流；B——垂直於I的磁感應強度；
霍爾元件霍爾元件
d——導體的厚度。
對於半導體和鐵磁金屬，霍爾係數表達式與式（19）不同，此處從略。
由於通電導線周圍存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流感測。
利用這種方法可以構成霍爾功率感測器。
霍爾元件套用霍爾效應的半導體。

工作原理


霍爾元件套用霍爾效應的半導體。
所謂霍爾效應，是指磁場作用於載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發現的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直於電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現極強的霍爾效應。
利用霍爾效應可以設計製成多種感測器。霍爾電位差UH的基本關係為:
UH=RHIB/d （1） RH=1/nq（金屬） （2）
式中 RH――霍爾係數；n――單位體積內載流子或自由電子的個數；q――電子電量；I――通過的電流；B――垂直於I的磁感應強度；d――導體的厚度。
對於半導體和鐵磁金屬，霍爾係數表達式和式（2）不同，此處從略。
由於通電導線周圍存在磁場，其大小和導線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流感測器。其優點是不和被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流感測。
若把霍爾元件置於電場強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產生電流I，元件上同時產生的霍爾電位差和電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P=EH確定。
利用這種方法可以構成霍爾功率感測器。
如果把霍爾元件集成的開關按預定位置有規律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈衝信號。根據脈衝信號列可以感測出該運動物體的位移。若測出單位時間內發出的脈衝數，則可以確定其運動速度。

元件特性

1、霍爾係數（又稱霍爾常數）RH
在磁場不太強時，霍爾電勢差UH與激勵電流I和磁感應強度B的乘積成正比，與霍爾片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH稱為霍爾係數，它表示霍爾效應的強弱。 另RH=μ*ρ即霍爾常數等於霍爾片材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積。
2、霍爾靈敏度KH（又稱霍爾乘積靈敏度）
霍爾靈敏度與霍爾係數成正比而與霍爾片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍爾常數。
3、霍爾額定激勵電流
當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。
4、霍爾最大允許激勵電流
以霍爾元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。
5、霍爾輸入電阻
霍爾激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。
6、霍爾輸出電阻
霍爾輸出電極間的電阻值稱為輸出電阻。
7、霍爾元件的電阻溫度係數
在不施加磁場的條件下，環境溫度每變化1℃時，電阻的相對變化率，用α表示，單位為%/℃。
8、霍爾不等位電勢（又稱霍爾偏移零點）
在沒有外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，在輸出端空載測得的霍爾電勢差稱為不等位電勢。
9、霍爾輸出電壓
在外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，在輸出端空載測得的霍爾電勢差稱為霍爾輸出電壓。
10、霍爾電壓輸出比率
霍爾不等位電勢與霍爾輸出電勢的比率
11、霍爾寄生直流電勢
在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱寄生直流電勢。
12、霍爾不等位電勢
在沒有外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，環境溫度每變化1℃時，不等位電勢的相對變化率。
13、霍爾電勢溫度係數
在外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，環境溫度每變化1℃時，不等位電勢的相對變化率。它同時也是霍爾係數的溫度係數。
14、熱阻Rth
霍爾元件工作時功耗每增加1W，霍爾元件升高的溫度值稱為它的熱阻，它反映了元件散熱的難易程度，
單位為： 攝氏度/w
無刷電機霍爾感測器AH44E
開關型霍爾集成元件，用於無刷電機的位置感測器。
引腳定義（有標記的一面朝向自己）：（左）電源正；（中）接地；（右）信號輸出
體積(mm)：4.1*3.0*1.5
安裝時注意減少應力與防靜電

元件分類

按照霍爾元件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者輸出模擬量，後者輸出數字量。
按被檢測的對象的性質可將它們的套用分為:直接套用和間接套用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設定的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

霍爾開關

按照霍爾開關的感應方式可將它們分為：單極性霍爾開關、雙極性霍爾開關、全極性霍爾開關。
單極性霍爾開關的感應方式：磁場的一個磁極靠近它，輸出低電位電壓（低電平）或關的信號，磁場磁極離開它輸出高電位電壓（高電平）或開的信號，但要注意的是，單極性霍爾開關它會指定某磁極感應才有效，一般是正面感應磁場S極，反面感應N極。
雙極性霍爾開關的感應方式：因為磁場有兩個磁極N、S（正磁或負磁），所以兩個磁極分別控制雙極性霍爾開關的開和關（高低電平），它一般具有鎖定的作用，也就是說當磁極離開後，霍爾輸出信號不發生改變，直到另一個磁極感應。另外，雙極性霍爾開關的初始狀態是隨機輸出，有可能是高電平，也有可能是低電平。
全極性霍爾開關的感應方式：全極性霍爾開關的感應方式與單極性霍爾開關的感應方式相似，區別在於，單極性霍爾開關會指定磁極，而全極性霍爾開關不會指定磁極，任何磁極靠近輸出低電平信號，離開輸出高電平信號。

線性霍爾

線性霍爾元件是一種模擬信號輸出的磁感測器，輸出電壓隨輸入的磁力密度線性變化。
線性霍爾效應感測器 IC 的電壓輸出會精確跟蹤磁通密度的變化。在靜態（無磁場）時，從理論上講，輸出應等於在工作電壓及工作溫度範圍內的電源電壓的一半。增加南極磁場將增加來自其靜態電壓的電壓。相反，增加北極磁場將增加來自其靜態電壓的電壓。這些部件可測量電流的角、接近性、運動及磁通量。它們能夠以磁力驅動的方式反映機械事件。

常用型號

單極霍爾開關電路
型號
工作電壓VDD（V）
工作電流IDD（mA）
工作點Bop(GS)
釋放點Brp(GS)
工作溫度TA(℃)
封裝
形式
典型套用
HAL202
4-20
3.5
180
60
-40-85
TO-92S
位置檢測、轉速檢測
HAL3134
4.5-24
10
110
20
-40-150
TO-92S
舞檯燈光、車速儀表、空調電機等
HAL3144E
3.8-30
4
250
230
-40-85
TO-92S
舞檯燈光、車速儀表、空調電機等
HAL44E
3.5-24
5
80-160
30-110
-40-125
SOT-23
馬達、無觸點開關
HAL131
3.8-30
3.2
45
40
-40-125
TO-92S
霍爾接近開關感測器、轉速探測
HAL43A
3.8-30
3.2
180
50
-40-150
TO-92S
速度和RPM感測器、轉速計等
HAL43F
3.8-30
4.0
200
170
-40-150
TO-92S
速度和RPM感測器、轉速計等
HAL58
3.5-24
2.5
180
137
-40-150
SOT-23
馬達、無觸點開關
HAL543
3.5-24
5
160
110
-40-150
SOT-89B
無觸點開關、位置檢測、轉速計
AH3144E
4.5-24
10
110
20
-40-85
TO-92S
舞檯燈光、車速儀表、空調電機等
AH3144L
4.5-24
10
110
20
-40-150
TO-92S
舞檯燈光、車速儀表、空調電機等
AH543
4.5-24
10
200
30
-40-150
SOT-89
無觸點開關、位置檢測、轉速計
A1101E
3.8-24
7.5
30—175
10—145
-40—85
TO-92
無觸點開關、位置檢測、轉速計
A1104E
3.8-24
7.5
205—355
150—300
-40—85
TO-92
無觸點開關
EW-450
4.5-18
8
200
50
-20-115
SOT-23
單極開關套用
EW-550
4.5-18
8
200
50
-20-115
TO-92
電機套用
雙極鎖存型霍爾電路
型號
工作電壓VDD（V）
工作電流IDD（mA）
工作點Bop(GS)
釋放點Brp(GS)
工作溫度TA(℃)
封裝形式
典型套用
HAL41F
3.8-30
4
120
120
-40-150
TO-92S
直流無刷電機、轉速檢測
EW-512
4.5-18
8
60
-60
-30-115
TO-92
水流量計、熱水器、無刷電機
EW-732
2.2-18
8
60
-60
-30-115
TO-92
水流量計、熱水器、無刷電機
U18
3.5-24
5
95
-95
-40-125
TO-92
水流量計、汽車裡程表、無刷電機
SS40AF
4.5-24
10
110
-45
-40-150
TO-92
直流無刷電機、轉速檢測
HAL732
2.5-24
2.5
18
-18
-40-150
SOT-23
高靈敏無觸點開關、無刷電機
HAL1881
2.4-24
2.5
30
-30
-40-150
SOT-23
高靈敏無觸點開關、無刷電機
HAL513
3.5-30
4
70
-70
-40-150
SOT-89
高靈敏無觸點開關、無刷電機
AH512
4.5-24
10
60
-60
-40-125
TO-92
高靈敏無觸點開關、無刷電機
微功耗全極性霍爾開關電路
型號
工作電壓VDD（V）
工作電流IDD（MA）
工作點Bop(GS)
釋放點Brp(GS)
工作溫度TA(℃)
封裝形式
典型套用
A3212
2.5-3.5
1
1-55
10-1
-40—85
SOT-23
TO-92
低功耗數碼產品 如：手機
YS4913
2.4- 5.5
-1-4.5
50
42
-45—150
SOT-23TO-92
行動電話
筆記本電腦
便攜電子設備等
YS9248
2.5-5.5
6
55
20
-40—85
SOT-23TO-92
行動電話
筆記本電腦
便攜電子設備等
HAL13S
2.4-5.5
0.009
55
25
-40-85
SOT-23
低功耗數碼產品 如：手機
HAL148
2.4-5.5
0.005
45
32
-40-125
TO-92S
低功耗數碼產品 如：電筒
HAL148L
1.8-3.5
0.005
45
32
-40-125
SOT-23
玩具
線性霍爾
型號
工作電壓VDD（V）
磁場範圍GS
輸出電壓VOT（V）
靈敏度S mv/G
工作溫度TA(℃)
封裝形式
典型套用
HW302B
0.5-2
+/-500
小122大204
3.2-5.9 at 1V
-40-110
DIP-4
電流感測器
HW302C
10
+/-750
小55大75
1.3 at 6V
-40-125
DIP-4
電流感測器、磁場檢測
HAL95A
4.5-10.5
+/-670
0.5-4.5
3.125
-40-150
TO-92S
角度探測 如：汽車油門
HAL49E
3.0-6.5
+/-100
0.8-4.25
1.4
-40-100
TO-92S
角度測量 如：電動車轉把

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